智能自動化在金屬冶煉中的應(yīng)用探究

劉鵬

[摘 ? ?要 ]金屬冶煉是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的代表，在國民經(jīng)濟中占據(jù)不容忽視的地位。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)以及數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，這些技術(shù)在傳統(tǒng)金屬冶煉行業(yè)中的應(yīng)用越來越普遍，推動金屬冶煉向著越來越自動化智能化的方向發(fā)展。本文圍繞智能自動化在金屬冶煉中的應(yīng)用議題進行了探討，首先概述了金屬冶煉工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，然后論述了智能自動化在金屬冶煉中的應(yīng)用及應(yīng)用效果，最后展望了智能自動化在金屬冶煉中的應(yīng)用發(fā)展趨勢，供相關(guān)人士參考。

[關(guān)鍵詞]金屬冶煉;自動化;智能技術(shù)

[中圖分類號]TF30 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）07–00–03

[Abstract]Metal smelting is the representative of traditional industry， which plays an important role in national economy. In recent years， with the rapid development of Internet technology， information technology and data technology， the application of these technologies in traditional metal smelting industry is more and more common， which promotes the development of metal smelting towards the direction of more and more automation and intelligence. This paper discusses the application of intelligent automation in metal smelting. Firstly， the paper summarizes the development of automation technology in metal smelting industry， and then discusses the application and application effect of intelligent automation in metal smelting. Finally， it looks forward to the application and development trend of intelligent automation in metal smelting for reference.

[Keywords]metal smelting; automation; intelligent technology

自動化技術(shù)和人工智能技術(shù)在信息技術(shù)的支持下得到越來越普遍的應(yīng)用。從實際的需求看，金屬冶煉對溫度等參數(shù)的控制十分嚴格，而智能自動化調(diào)節(jié)方式能夠很好地減少人為判斷和操作誤差，從而更好地優(yōu)化控制冶金生產(chǎn)參數(shù)，不僅提高冶金生產(chǎn)效率，而且能夠降低成本。金屬冶煉行業(yè)在科技的引擎動力下正在邁入智能化發(fā)展階段，為冶金企業(yè)提質(zhì)增效，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)奠定了強大的技術(shù)條件。

1 金屬冶煉工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

金屬冶煉工業(yè)自動化技術(shù)最初源自于國外，自上個世紀中期，我國開始引進金屬冶煉自動化技術(shù)。截止到目前，我國冶金產(chǎn)業(yè)自動化設(shè)備的覆蓋率已經(jīng)超過60 %。從冶煉自動化技術(shù)發(fā)展水平看，自動化設(shè)備的核心技術(shù)仍舊掌握在別的國家手里，我國在金屬冶煉工業(yè)自動化的自主知識產(chǎn)權(quán)數(shù)量較少，整體科技創(chuàng)新水平與國外先進國家仍舊存在一定的差距。金屬冶煉工業(yè)自動化技術(shù)應(yīng)用經(jīng)歷了從基礎(chǔ)自動化到過程自動化，最終到管理自動化的階段。目前，金屬冶煉工業(yè)自動化技術(shù)基本覆蓋了金屬冶煉的整個生產(chǎn)流程，即從信息采集到信息分析，最終形成指令執(zhí)行。

2 智能自動化在金屬冶煉中的應(yīng)用

2.1 利用智能自動化技術(shù)對爐溫進行調(diào)控

爐溫是影響金屬冶煉品質(zhì)的重要因素。傳統(tǒng)的控溫方式是人工觀測爐溫。而智能自動化控溫是對爐缸內(nèi)熱流強度和冷卻水的情況進行調(diào)節(jié)，通過檢測爐缸溫度和冷卻壁溫度實現(xiàn)二者配合，實現(xiàn)更準(zhǔn)確的控溫效果。實現(xiàn)的技術(shù)原理如下：冷卻水流速為v，水溫差為T，水比熱容為c，冷卻壁面積為S。則金屬熱流強度J的計算公式如下：

J=（v×T×c×1000）/S

假設(shè)冶煉天數(shù)為D，高爐容積為V，則每立方米冶煉爐的金屬冶煉強度I的計算公式如下：

I=（J·T）/（D·V）

爐溫冷卻參數(shù)的調(diào)控應(yīng)根據(jù)金屬冶煉強度進行，需要在最佳金屬冶煉強度時對冷卻溫度進行調(diào)控。因此需要兩個條件同時滿足，得到如下函數(shù)：

公式（1）中的x，y，z…代表函數(shù)參數(shù)，如風(fēng)量、配料、冷卻水流速等參數(shù)。通過智能自動化系統(tǒng)中的軟件可同時滿足兩個條件，得到優(yōu)化后的參數(shù)值，實現(xiàn)對爐溫的科學(xué)調(diào)控。

此外，智能自動化系統(tǒng)中的控制中心實時接收生產(chǎn)設(shè)備傳感器的溫度信號，根據(jù)生產(chǎn)操作間內(nèi)的溫度變化情況進行信息處理。由于溫度和熱量具有緊密關(guān)系，因此通常采用的方法是建立設(shè)備開啟的控制群函數(shù)和設(shè)備關(guān)閉的控制群函數(shù)。計算公式如下：

公式（2）中Ot代表t時間內(nèi)設(shè)備開啟的控制群函數(shù);Bt代表t時間內(nèi)設(shè)備關(guān)閉的控制群函數(shù);n代表控制群系數(shù)。根據(jù)設(shè)備開啟和關(guān)閉控制群函數(shù)結(jié)果可計算出生產(chǎn)過程需要的總熱量Q。計算公式如下：

Q=Qs+Qr+Qz+Qs+Qh

公式中，Q代表生產(chǎn)過程需要的總熱量 ;Qs代表太陽輻射熱;Qr代表人體承受的最大熱量;Qz代表設(shè)備運行過程中產(chǎn)生的熱量;Qs代表設(shè)備從外部得到的熱量;Qh代表操作過程中損失的熱量。根據(jù)計算得到的總熱量，控制中心對供熱管和冷水泵下達指令，完成溫度的自動調(diào)節(jié)。

通過智能化技術(shù)的應(yīng)用，不但可以避免設(shè)備運行過程中浪費能耗，而且可以準(zhǔn)確掌控設(shè)備啟停時間，減少了人為啟停失誤率，減少安全事故發(fā)生。

2.2 利用智能自動化技術(shù)對工藝參數(shù)權(quán)重進行調(diào)控

在設(shè)計到配料等多參數(shù)因素時，不同參數(shù)權(quán)重大小是調(diào)控的難點。利用智能自動化技術(shù)可以更快地找到金屬冶煉影響權(quán)重，實現(xiàn)冶煉工藝優(yōu)化。如在冶煉過程中，不同的料速、不同的風(fēng)溫以及不同的透氣性等因素會影響冶煉質(zhì)量。對這些參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理可以得到最佳權(quán)重。假設(shè)單一的控制指數(shù)分別為FI1，F(xiàn)I2，F(xiàn)I3…，F(xiàn)In，N為每小時風(fēng)流量，則控制指數(shù)FI為：

將公式（3）用卷積函數(shù)處理，得到爐級權(quán)重X，其中，Xi代表冶煉過程中第一個時間單位的數(shù)值，Wi代表參數(shù)數(shù)據(jù)對金屬含量的影響權(quán)重。

例如計算出風(fēng)量、風(fēng)溫、料速度、透氣性等各參數(shù)控制指數(shù)（如表1所示），然后根據(jù)上式計算得到金屬冶煉爐級權(quán)重。

2.3 利用智能自動化技術(shù)對金屬冶煉效益進行控制

金屬冶煉效益應(yīng)考慮到金屬點解產(chǎn)量和質(zhì)量，考慮到金屬冶煉成本，盡可能兼顧到冶煉品質(zhì)較高且能耗較低。通過智能自動化技術(shù)可以建立金屬分解用電函數(shù)，得到全天不同時間段的電流密度J計算公式如下：

電流密度Dk介于最低電流密度和最高電流密度之間。最低電流密度是造成金屬反溶的電流密度，最高電流密度是金屬電解允許的最大電流密度，該值與供電設(shè)備以及電解容量有關(guān)。

2.4 利用智能自動化技術(shù)對金屬冶煉排放物進行控制

金屬冶煉行業(yè)的廢渣廢液必須經(jīng)過嚴格處理，達標(biāo)后才能排放。通過智能自動化技術(shù)對冶煉金屬中的有毒物質(zhì)排放進行合理控制，避免超標(biāo)排放。對金屬冶煉沸騰爐設(shè)備進行參數(shù)監(jiān)控，確保煙氣排放指標(biāo)在合規(guī)范圍內(nèi)，有效減少硫氧化物排放量。高濃度的硫氧化物被集中收集并制備成強酸，可作為處理金屬汞的原料。利用強酸和汞反應(yīng)，降低汞濃度，減少有毒重金屬排放。利用智能自動化技術(shù)可實現(xiàn)無人操作，在完全密封的情況下實現(xiàn)金屬冶煉排放物控制，避免了工作人員現(xiàn)場作業(yè)面臨的健康危害，在排放物處理過程中，參數(shù)調(diào)節(jié)更加準(zhǔn)確。

3 智能自動化在金屬冶煉中的應(yīng)用效果

將傳統(tǒng)金屬冶煉和智能自動化金屬冶煉的實際應(yīng)用情況進行實驗對比分析。智能自動化系統(tǒng)中，不同功能下位機與計算機連接，電爐與控制設(shè)備進行連接，軟件系統(tǒng)為WINDOWS控制軟件，CLIENT/SERVER數(shù)據(jù)庫及WINCC組態(tài)軟件。采用同批次金屬樣品進行冶煉，冶煉工藝和冶煉條件相同。智能自動化技術(shù)的一組采用自動加料方式，傳統(tǒng)技術(shù)的一組采用人工加料方式。然后對兩組金屬冶煉成分進行測定，得到如表2結(jié)果。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知，智能自動化冶煉預(yù)測誤差和相對誤差比傳統(tǒng)冶煉方式得到的對應(yīng)值更小，因此采取智能自動化冶煉技術(shù)可以更精準(zhǔn)的對金屬冶煉參數(shù)進行調(diào)控，實現(xiàn)對金屬冶煉品質(zhì)的嚴格控制。

4 智能自動化在金屬冶煉中的應(yīng)用發(fā)展趨勢

隨著金屬冶煉工業(yè)信息化技術(shù)和智能化技術(shù)的發(fā)展，在冶金企業(yè)中的應(yīng)用也將更加深入廣泛。隨著智能自動化技術(shù)的深度應(yīng)用，金屬冶煉采集的數(shù)據(jù)越來越多，在大量的數(shù)據(jù)支持下，數(shù)據(jù)資源開發(fā)成為智能化冶金發(fā)展的重要趨勢。通過對數(shù)據(jù)信息的分析，找出數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)特征，對過程控制系統(tǒng)的完善提供支持。

5 結(jié)語

綜上所述，智能自動化技術(shù)在金屬冶煉中的應(yīng)用既是理論層面的應(yīng)用，同時也是實踐層面的應(yīng)用。結(jié)合當(dāng)前冶金企業(yè)智能自動化技術(shù)應(yīng)用實際狀況，從實際問題出發(fā)，確保資源的投入，加大技術(shù)難題攻克，在解決問題的過程中進一步強化基礎(chǔ)理論的研究，形成理論實踐正向反饋，不斷完善技術(shù)方案和生產(chǎn)管理制度標(biāo)準(zhǔn)。如此，才能推動冶金企業(yè)加快走上智能經(jīng)濟發(fā)展道路，才能彌補國內(nèi)金屬冶煉中智能自動化自主知識產(chǎn)權(quán)方面的不足，才能推動國內(nèi)金屬冶煉產(chǎn)業(yè)健康蓬勃發(fā)展。

參考文獻

[1] 李松宇.自動化技術(shù)在有色冶金工業(yè)中的應(yīng)用[J].中國金屬通報，2019（8）：50.

[2] 王彥姣.智能自動化在金屬冶煉中的應(yīng)用研究[J].世界有色金屬，2020（12）：68.

[3] 楊文靜.智能自動化在金屬冶煉中的重要應(yīng)用[J].世界有色金屬，2019（21）：8-9.

[4] 金志歡，金鑫，江超，等.旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術(shù)在金屬冶煉設(shè)備中的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2020，542（2）：44-45.

[5] 王雅琳.智能集成建模理論及其在有色冶煉過程優(yōu)化控制中的應(yīng)用研究[D].中南大學(xué)，2001.